Устройство для СВЧ нагрева

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ НАГРЕВА(71) Заявитель Карпович Виктор Аркадьевич Притула Игорь Витальевич Родионова Валентина Николаевна(72) Авторы Карпович Виктор Аркадьевич Притула Игорь Витальевич Родионова Валентина Николаевна(73) Патентообладатель Карпович Виктор Аркадьевич Притула Игорь Витальевич Родионова Валентина Николаевна(57) 1. Устройство для СВЧ нагрева, содержащее прямоугольную камеру нагрева, снабженную дверью, и по меньшей мере два генератора СВЧ, установленных на внешних сторонах стенок камеры и связанных с ней через окна связи при помощи прямоугольных волноводов, отличающееся тем, что каждое окно связи размещено на соответствующей стенке камеры асимметрично по отношению к осям симметрии и таким образом, что при возбуждении рабочих типов колебаний окна связи располагаются в пучностях магнитного поля, причем каждое окно связи располагается вблизи узла магнитного поля того типа колебаний, который вблизи соседнего окна находится в пучности, при этом камера нагрева снабжена периодическими гребенчатыми структурами, размещенными вдоль кромок стенок волноводов, соответствующих тем широким сторонам окон связи, которые имеют меньшее расстояние до ближайшего из ребер камеры, основания гребней лежат в плоскости стенки камеры, на которой выполнено соответствующее окно связи, а вершины выступают внутрь камеры, ширина гребней кратна н/4, где н - наименьшая рабочая длина волны генераторов СВЧ, высота гребней кратна н/8, а расстояние между ними в зависимости от величины диэлектрической проницаемости нагреваемого материала лежит в пределах 0,524,25 мм. 5274 1 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит четыре генератора СВЧ,два из которых установлены на боковых стенках камеры нагрева, а два - на задней стенке камеры. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что расстояние от геометрического центра каждого окна связи до двух ближайших ребер камеры нагрева, каждое из которых параллельно соответствующей стороне окна связи, лежит в пределах 9 н/441 н/4. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что размеры камеры нагрева выбраны такими, что в ней возбуждается 82, 118, 164 или 190 типов колебаний.(56)1183615 1, 1964.2105255 1, 1998.2101631 1, 1998.0814311 1, 1997. Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано в частности для сушки различных пиломатериалов и других диэлектрических материалов. Обеспечение равномерности нагрева является одной из важнейших задач при осуществлении СВЧ нагрева и ее решение зависит от равномерности распределения СВЧ электромагнитного поля во внутреннем объеме камеры нагрева. Известны устройства для СВЧ нагрева, содержащие камеру нагрева с установленными на ее стенках генераторами СВЧ, связанными выходом с внутренним объемом камеры нагрева, в которых для увеличения равномерности нагрева диэлектрического материала применяют вращающиеся элементы - диссекторы (так называемые вторичные излучатели),ухудшающие условия работы генераторов СВЧ и тем самым выравнивающие электромагнитное поле внутри камеры (Магнетроны непрерывного действия. Промышленное применение. Отчет фирмы , 1996). Известны также устройства для СВЧ нагрева, содержащие камеру нагрева, снабженную дверью, установленные на внешних сторонах стенок камеры нагрева как минимум два генератора СВЧ, связанные с камерой нагрева через окна связи при помощи прямоугольных волноводов ( 1183615 А 1, 1964). В этих устройствах для увеличения равномерности распределения СВЧ электромагнитного поля генераторы работают на разных частотах. Возможно применение одного генератора с изменяющейся в процессе работы частотой колебаний на выходе. Окно связи размещено на соответствующей стенке камеры так, что продольные и поперечные оси стенки и окна связи совпадают. Однако известные устройства из-за больших потерь мощности имеют низкий к.п.д.,громоздкую и сложную конструкцию, обусловленную необходимостью перестройки генераторов СВЧ по частоте в процессе нагрева или установки вращающихся диссекторов. При этом получаемая равномерность нагрева остается все равно не удовлетворительной для решения многих производственных задач. Например, для пиломатериалов неравномерность нагрева присущая известным устройствам приводит к большому проценту брака(растрескивание древесины, ее коробление). Задача изобретения - повышение равномерности нагрева по всему объему обрабатываемого материала и тем самым создание безотходного производства. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для СВЧ нагрева, содержащем камеру нагрева, снабженную дверью, установленные на внешних сторонах стенок камеры нагрева как минимум два генератора СВЧ, связанные с ней через окна связи при помощи прямоугольных волноводов, каждое окно связи размещено на соответствующей стенке камеры асимметрично по отношению к ее осям симметрии, камера нагрева снабжена пе 2 5274 1 риодической гребенчатой структурой, размещенной вдоль кромки той широкой стенки каждого окна связи, которая имеет меньшее расстояние до ближайшего ребра камеры нагрева, основания гребней лежат в плоскости стенки, на которой выполнено соответствующее окно связи, а вершины выступают внутрь камеры, при этом ширина гребней кратна н/4, а их высота кратна н/8, где н - наименьшая рабочая длина волны. Таким образом ширина гребня в два раза превышает его высоту. В предпочтительном варианте устройство содержит четыре генератора, два из которых установлены на боковых стенках, а два - на задней стенке камеры нагрева. Предпочтительной является также конструкция устройства для СВЧ нагрева, в котором расстояние от геометрического центра окон связи до двух ближайших ребер камеры, каждое из которых параллельно одной из сторон окна связи, лежит в пределах 9 н/441 н/4. Максимальной равномерности поля и, тем самым, обеспечению оптимального режима нагрева для различных материалов, способствует также то, что расстояние между гребнями выбирается в зависимости от величины диэлектрической проницаемости нагреваемого материала. Этот размер, как правило, лежит в пределах 0,52 мм 4,25 мм. Наилучшие условия нагрева могут быть получены за счет одновременного возбуждения в камере нагрева 82, 118, 164 или 190 типов колебаний в зависимости от ее размера. Сущность изобретения заключается в том, что, за счет использования нескольких СВЧ генераторов и возбуждения камеры нагрева в строго определенных точках по отношению к ее ребрам, стало возможным создать в ней большое число рабочих типов колебаний, а за счет использования гребенчатой структуры, расположенной вдоль кромки одной из широких стенок каждого окна связи - максимально сконцентрировать электрическое поле в рабочем объеме камеры. Все это позволило получить равномерное по всему объему электромагнитное поле и соответственно обеспечить равномерный нагрев. Данное изобретение проиллюстрировано чертежом, на котором представлен один из возможных вариантов выполненного, согласно изобретению, устройства для СВЧ нагрева. Устройство для СВЧ нагрева содержит камеру 1 нагрева, генераторы 2, 2, 2, 2 СВЧ,установленные на боковых 3, 4 и задней 5 стенках камеры 1, окна 6, 6, 6, 6 связи, волноводы 7, 7, 7, 7, четыре тепловентилятора 8, 8,8, 8, дверь 9. Линейные размеры камеры в несколько раз должны превышать длину волны сигнала на выходе генератора. Расстояние от центра каждого окна связи до ближайших двух ребер лежит в пределах 9 н/441 н/4. В гребенчатой структуре гребни 10 размещены вдоль кромки той широкой стенки окна связи, которая находится на меньшем расстоянии от ребра камеры нагрева, основания гребней лежат в плоскости, параллельной той стенке, на которой выполнено соответствующее окно связи, а вершины выступают внутрь камеры,ширина гребней кратна н/4, а их высота кратна н/8, где н - наименьшая рабочая длина волны. Расстояние между упомянутой плоскостью и внутренней стороной стенки камеры должно стремиться к минимуму, определяемому технологическими возможностями конструкции. В примере реализации конструктивные размеры СВЧ устройства рассчитаны для сушки древесины с 28, исходя из н 122,4 мм. Для этой реализации ширина гребней выбрана, равной 30,6 мм, их высота равна 15,3 мм. Расстояние от геометрического центра окон связи до ближайших ребер камеры равно 394 мм (до ребра, параллельного узкой стенки окна связи) и 456 мм (до ребра, параллельного широкой стенке окна связи). Устройство для СВЧ-нагрева работает следующим образом. СВЧ колебания с выхода генераторов 2, 2, 2, 2 через волноводы 7, 7, 7, 7 и окна 6, 6, 6, 6 связи возбуждают колебания в камере 1 нагрева. Благодаря определенному распределению тангенциальных составляющих магнитного поля рабочих типов колебаний у той стенки резонатора, в которой выполнено окно связи, и размещению последнего в пучностях магнитного поля, в камере возбуждаются колебания типов Н (где 108,любое целое число,826) и(где 1 - любое целое число,012,468). Раз 3 5274 1 меры камеры рассчитаны таким образом, что в ней одновременно могут возбуждаться 82(размеры камеры 1700850850 мм), 118 (2550850850 мм), 164 (255017001700 мм) или 190 (340017001700 мм) типов колебаний. В предложенном, согласно изобретению, устройстве на резонансной частоте камеры нагрева возникает несколько близких по частоте собственных типов колебаний. Чем ближе по шкале частот расположены собственные виды колебаний камеры нагрева (как резонатора), тем меньше полоса частот генерируемых колебаний оказывается достаточной для увеличения равномерности электромагнитного поля (2,45 Ггц 50 мгц). Расположение в пределах рабочей полосы генератора многих близких по частоте собственных видов колебаний приводит также к перекрытию кривых отдельных резонансов и, следовательно, к более линейной зависимости импеданса камеры от частоты, что обеспечивает более полное согласование генераторов с камерой нагрева и тем самым более равномерное электромагнитное поле. Исходя из заданной равномерности нагрева, моделированием структуры электромагнитного поля внутри камеры нагрева определяется число типов колебаний, которые могут обеспечить при одновременном возбуждении необходимую равномерность. Размеры прямоугольной камеры нагрева рассчитывают исходя из того, чтобы обеспечить условия для существования в ней максимального числа собственных видов колебаний в рабочей полосе частот генератора. У прямоугольного резонатора длины волн собственных колебаний определяются равенством 1 / (/ 2 ) 2(/ 2) 2(/ 2 ) 2 , где , ,- любые целые числа, как указано выше а, , с - линейные размеры камеры нагрева. Линейные размеры а, , с при расчете были определены следующими а 3400 1700 с 1700 2550 850 850 1700 850 850. Диапазон длин волн задавался в виде 122,4-25,2122,425,2 Рассчитанные таким образом камеры нагрева имели равномерный спектр частот. Места расположения окон связи определяются исходя из распределения тангенциальной составляющей электромагнитных полей выбранных типов колебаний. Применяя большее число генераторов, можно увеличить число собственных типов колебаний, имеющих различное расположение узлов и пучностей электромагнитного поля. Для определения распределения максумумов электромагнитного поля отдельных видов колебаний (на боковых и задней стенках камеры) определяли компоненты Нх, Ну полей типов Н и Е. Связь прямоугольной камеры нагрева с несколькими отверстиями и прямоугольными волноводами на волне Н 0 рассчитывалась в дипольном приближении (но в тензоре магнитной поляризуемости окон связи учитывалось влияние стенок волновода). Задача о магнитной поляризуемости нескольких окон связи в плоском экране (в стенках камеры) рассматривалась при помощи метода парных интегральных уравнений. Ее решение было сведено к системе интегральных уравнений Фредгольма для вспомогательных функций. Получены простые аналитические соотношения для тензоров поляризуемости окон связи с учетом их взаимного влияния. Чтобы избежать перекачивания энергии одного типа колебаний в другой, в конструкции предусмотрена развязка за счет того, что каждое окно связи расположено вблизи узла магнитного поля того типа колебаний, который вблизи соседнего окна находится в пучности. 5274 1 Периодическая гребенчатая структура, расположенная вдоль кромки широкой стенки окна связи, вносит аномально малое затухание СВЧ колебаний, но обеспечивает при этом отжатие электромагнитного поля от стенок камеры, в результате чего обеспечивается исключение перегрева стенок камеры, т.к. основные пучности полей расположены на ребрах камеры, и как следствие этого уменьшаются тепловые потери. Другими словами, при рабочих колебанияхитоки, наводимые в стенках камеры, имеют только продольную составляющую, поэтому эти колебания будут синфазно отражаться от гребней периодической гребенчатой структуры и обеспечивать интенсивное поле во внутреннем объеме. Испытания установок СВЧ сушки древесины, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, подтвердили высокое качество сушки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.